DE102021118962A1 - Control flow control valve for scroll compressors - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Steuerstromregelventil (1) für Spiralverdichter, mindestens bestehend aus einem Gehäuse (8) und einem Verschlusselement (9) sowie Fluidanschlüssen (2, 3, 4) für den Steuerstrom, für den Gegendruck (Pb), für den Hochdruck (Pd) und für den Saugdruck (Ps) mit den Anschlüssen zugeordneten Wirkflächen am Verschlusselement (9), dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (9) zur Abdichtung von Niederdruckraum (12) mit einem Wirkdurchmesser Niederdruckraum (d24) zu Gegendruckraum (11) mit einem Wirkdurchmesser Gegendruckraum (d25) genau eine Membrandichtung (7) aufweist, die am Verschlusselement (9) angeordnet ist, wobei auf einer Seite der Membrandichtung (7) der Niederdruckraum (12) und auf der anderen Seite der Membrandichtung (7) der Gegendruckraum (11) angeordnet ist, wobei die Form der Membrandichtung (7) derart gewählt ist, dass diese eine vorgebbare konturabhängige Federsteifigkeit aufweist, welche die Kraft-Weg-Funktion des Verschlusselements (9) festlegt.The invention relates to a control flow control valve (1) for spiral compressors, consisting at least of a housing (8) and a closure element (9) as well as fluid connections (2, 3, 4) for the control flow, for the back pressure (Pb), for the high pressure (Pd ) and for the suction pressure (Ps) with the effective surfaces on the closure element (9) assigned to the connections, characterized in that the closure element (9) is used to seal the low-pressure space (12) with an effective diameter of the low-pressure space (d24) from the counter-pressure space (11) with an effective diameter The counter-pressure chamber (d25) has exactly one diaphragm seal (7), which is arranged on the closure element (9), with the low-pressure chamber (12) on one side of the diaphragm seal (7) and the counter-pressure chamber (11) on the other side of the diaphragm seal (7). is arranged, wherein the shape of the membrane seal (7) is selected such that it has a definable contour-dependent spring stiffness, which fes the force-displacement function of the closure element (9). puts

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuerstromregelventil für Spiralverdichter, wobei das Ventil mehrere Fluidanschlüsse für ein oder mehrere Fluide auf verschiedenen Druckniveaus aufweist.The invention relates to a control flow control valve for scroll compressors, the valve having a plurality of fluid connections for one or more fluids at different pressure levels.

Das Anwendungsgebiet der Erfindung betrifft insbesondere elektrisch sowie mechanisch angetriebene Kältemittelverdichter mit dem Kompressionsprinzip des Spiralverdichters, der auch als Scrollverdichter bezeichnet wird.The field of application of the invention relates in particular to electrically and mechanically driven refrigerant compressors using the compression principle of the spiral compressor, which is also referred to as a scroll compressor.

Spiralverdichter bestehen aus einer feststehenden Spirale, der FixScroll, die fest im Verdichter verbaut ist und einer orbitierenden Spirale, der OrbitingScroll, die innerhalb der FixScroll mit einem mechanisch vorgegebenen Radius orbitiert, also umläuft. Durch die Bewegung der OrbitingScroll bilden sich zwischen den beiden Spiral- oder Scrollhälften paarweise Kammern, deren Volumen sich durch die Bewegung nach innen reduziert. Damit wird das innere Gas in den Kammern komprimiert.Scroll compressors consist of a fixed scroll, the FixScroll, which is permanently installed in the compressor, and an orbiting scroll, the OrbitingScroll, which orbits within the FixScroll with a mechanically specified radius, i.e. rotates. The movement of the OrbitingScroll creates pairs of chambers between the two spiral or scroll halves, the volume of which is reduced by the inward movement. This compresses the internal gas in the chambers.

Der Druckanstieg in den parallelen Kammern verursacht eine Kraft auf die OrbitingScroll, die ein Öffnen der axialen Dichtstellen verursachen würde. Zusätzlich greift diese axiale Kraft auf den OrbitingScroll nicht in der Mitte an, wodurch zusätzlich noch ein Kippmoment den OrbitingScroll einseitig von dem FixScroll ablösen würde, was auch als overturning Torque bezeichnet wird.The pressure increase in the parallel chambers creates a force on the OrbitingScroll that would cause the axial seals to open. In addition, this axial force does not act on the OrbitingScroll in the middle, which means that a tilting moment would detach the OrbitingScroll from the FixScroll on one side, which is also referred to as overturning torque.

Im Stand der Technik gibt es vorrangig zwei Verfahren, diesen beiden Kräften eine entsprechende Gegenkraft entgegen zu setzen. Einerseits gibt es Spiralverdichter mit orbitierenden Axiallagern und anderseits wird diese Kraft durch einen entsprechenden Gegendruck, den sogenannten Backpressuredruck, in einem Druckraum hinter dem OrbitingScroll kompensiert, beziehungsweise sogar überkompensiert.In the prior art, there are primarily two methods for counteracting these two forces with a corresponding counterforce. On the one hand there are scroll compressors with orbiting axial bearings and on the other hand this force is compensated or even overcompensated by a corresponding back pressure, the so-called back pressure pressure, in a pressure chamber behind the orbiting scroll.

Um einen sicheren Betrieb des Scrolls unter allen Betriebsbedingungen zu gewährleisten ist für alle Bedingungen sicherzustellen, dass die vom Backpressuredruck ausgehende Kraft die Kräftebilanz um den OrbitingScroll dominiert. Andernfalls würde der Scroll seine axialen Dichtflächen öffnen und im Extremfall die Kompression des Gases einstellen. Der notwendige Backpressuredruck variiert je nach anliegenden Drücken, innerer Dichtigkeit sowie weiteren Parametern.In order to ensure safe operation of the scroll under all operating conditions, it must be ensured for all conditions that the force emanating from the back pressure pressure dominates the balance of forces around the orbiting scroll. Otherwise, the scroll would open its axial sealing surfaces and, in extreme cases, stop compressing the gas. The necessary back pressure varies depending on the pressure applied, internal tightness and other parameters.

Anderseits verursacht ein zu hoher Gegendruck bei der Kräftebilanz um den OrbitingScroll übermäßige Reibung und damit Verschleiß der Bauteile.On the other hand, too high a back pressure in the balance of forces around the OrbitingScroll causes excessive friction and thus wear on the components.

Im Stand der Technik wird der Backpressuredruck durch ein Düsensystem in Abhängigkeit vom Hochdruck und dem Saugdruck gebildet. Dafür werden zwei Düsen mit Strömungsverlusten so abgestimmt, dass sich in allen Fällen ein geeigneter Mitteldruck, der Backpressuredruck, einstellt.In the prior art, the back pressure is formed by a nozzle system as a function of the high pressure and the suction pressure. For this purpose, two nozzles with flow losses are tuned in such a way that a suitable mean pressure, the back pressure, is set in all cases.

Im Stand der Technik wird der Backpressuredruck alternativ beispielsweise nach der US 2010/0158710 A1 mit einem federbelasteten, mechanischen Regelventil auf der dem Backpressureraum zuführenden oder abführenden Seite gebildet.In the prior art, the back pressure pressure is alternatively, for example, after U.S. 2010/0158710 A1 formed with a spring-loaded, mechanical control valve on the back-pressure chamber supplying or discharging side.

Aus der DE 10 2013 021 250 A1 ist eine Scroll-Maschine und ein Verfahren zu deren Betrieb bekannt, wobei ein Regelelement zwischen der Gegendruckkammer und dem Niederdruckanschluss vorgesehen ist, um einen Gegendruck in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz des Fluids zwischen Hochdruckanschluss und Niederdruckanschluss zu regeln.From the DE 10 2013 021 250 A1 a scroll machine and a method for its operation is known, wherein a control element is provided between the counter-pressure chamber and the low-pressure port in order to control a counter-pressure as a function of a pressure difference of the fluid between the high-pressure port and the low-pressure port.

Die US 2010/0 209 819 A1 offenbart einen Ejektor und ein Brennstoffzellensystem mit einem Ejektor mit einer Regelung für den Ausgangsdruck des Fluids mittels eines Ventils.the US 2010/0 209 819 A1 discloses an ejector and a fuel cell system with an ejector with a regulation for the outlet pressure of the fluid by means of a valve.

In einer weiteren Variante des Standes der Technik gibt es Kombinationen aus Düsen und druckgesteuertem On/Off-Ventil, auf der vom Backpressureraum abfließenden Seite. Dieses Ventil dient jedoch vornehmlich dem Anlauf. Damit wird gewährleistet, dass von Beginn an ein Backpressuredruck gebildet wird.In a further variant of the prior art, there are combinations of nozzles and pressure-controlled on/off valve on the side flowing out of the back-pressure chamber. However, this valve is primarily used for start-up. This ensures that a back pressure is formed right from the start.

Der Backpressuredruck wird gemäß dem Stand der Technik in jedem Fall durch einen sogenannten Steuerstrom vom Hochdruck (Pd) über den BackpressureRaum zum Saugdruck (Ps) gebildet. Dieser Steuerstrom stellt einen Verlust der Wirkweise des Verdichters dar, da er bereits verdichtetes Gas wieder auf die Saugseite fördert und damit die volumetrische und isentrope Effizienz der Maschine negativ beeinflusst. Weiterhin stellt der Steuermassenstrom auch einen Enthalpiestrom dar. Der Steuerstrom mischt sich auf der Saugseite vor der Scrolleinheit mit dem zuströmenden Sauggas und führt dort zu einer Temperaturerhöhung und zu einer Abnahme der Dichte des Sauggases. Dies wiederum beeinflusst die volumetrische Wirkweise des Verdichters negativ.According to the prior art, the back-pressure pressure is always formed by a so-called control flow from the high pressure (Pd) via the back-pressure space to the suction pressure (Ps). This control current represents a loss of compressor effectiveness, as it feeds already compressed gas back to the suction side and thus has a negative impact on the volumetric and isentropic efficiency of the machine. Furthermore, the control mass flow also represents an enthalpy flow. The control flow mixes with the inflowing suction gas on the suction side in front of the scroll unit, where it leads to an increase in temperature and a decrease in the density of the suction gas. This in turn has a negative impact on the volumetric mode of operation of the compressor.

Schließlich ist aus der DE 10 2016 105 302 B4 ein Steuerstromregelventil für Spiralverdichter bekannt, welches für die Erfindung gattungsbildend mindestens aus einem Gehäuse und einem Verschlusselement sowie Fluidanschlüssen für den Steuerstrom, für den Gegendruck (Pb), für den Hochdruck (Pd) und für den Saugdruck (Ps) mit den Anschlüssen zugeordneten Wirkflächen am Verschlusselement besteht. Das Steuerstromregelventil besitzt zusätzlich einen Fluidanschluss für Umgebungsdruck (PATM) mit zugeordneter Wirkfläche am Verschlusselement. Dieses ist derart ausgebildet, dass auf das Verschlusselement eine resultierende Kraft aus den am Verschlusselement anliegenden Drücken (Pd, Pb, Ps, PATM) derart wirkt, dass ein Steuerstrom vom Hochdruck (Pd) zum Saugdruck (Ps) einen Gegendruck (Pb) ausbildend fließt, wobei der Umgebungsdruck (PATM) fluiddicht zu den anderen auf das Verschlusselement wirkenden Räumen mit Hochdruck (Pd), Gegendruck (Pb) und Saugdruck (Ps) ausgebildet ist.Finally is out of the DE 10 2016 105 302 B4 a control flow control valve for scroll compressors is known, which for the invention generically at least consists of a housing and a closure element as well as fluid connections for the control flow, for the back pressure (Pb), for the high pressure (Pd) and for the suction pressure (Ps) with the effective areas assigned to the ports on the closure element. The control flow control valve also has a fluid connection for ambient pressure (PATM) with an assigned effective area on the closure element. This is designed in such a way that a resultant force from the pressures (Pd, Pb, Ps, PATM) applied to the closure element acts on the closure element in such a way that a control current flows from the high pressure (Pd) to the suction pressure (Ps), forming a counter-pressure (Pb). , wherein the ambient pressure (PATM) is designed to be fluid-tight with respect to the other spaces with high pressure (Pd), back pressure (Pb) and suction pressure (Ps) acting on the closure element.

Der vorgenannte Stand der Technik stellt zwar bereits eine deutliche Verbesserung in verschiedener Hinsicht dar, jedoch sollen die in der Erfindung dargelegten Veränderungen an der Konstruktion weitere Verbesserungen bewirken. Um den Kolben des Ventils beispielsweise in die richtige Position zu bringen, ist es notwendig, die Drücke des Verdichters zu messen und den Ventilmechanismus entsprechend zu bewegen. Um dies zu erreichen, verfügt das Ventil über zwei Membranen mit unterschiedlichen Druckbereichen auf der einen Seite und dem Umgebungsdruck, der auf der jeweils anderen Seite wirkt. Auf diese Weise ist es möglich, die absoluten Werte der Drücke zu messen und die notwendige resultierende Kraft zu erzeugen, indem die entsprechende Fläche der Membran gewählt wird.While the foregoing prior art represents a significant improvement in several respects, the design changes set forth in the invention are intended to provide further improvements. For example, in order to bring the piston of the valve into the correct position, it is necessary to measure the pressures of the compressor and move the valve mechanism accordingly. To achieve this, the valve has two diaphragms with different pressure ranges on one side and the ambient pressure acting on the other side. In this way it is possible to measure the absolute values of the pressures and generate the necessary resultant force by choosing the appropriate area of the membrane.

Problematische Aspekte dieser Konstruktion sind Qualität, Robustheit und Dichtigkeit der Membranen. Im Falle einer Fehlfunktion einer der Membranen wird das Kältemittelsystem undicht und kann seine Kältemittelfüllung verlieren, was zu einem Fahrzeugstillstand führen kann. Daher sind die Anforderungen an die Qualität und Zuverlässigkeit der Membran sehr hoch, was sich auf den Stückpreis, die Qualität und die Prozesskontrolle auswirkt.Problematic aspects of this construction are the quality, robustness and tightness of the membranes. In the event of a malfunction of one of the diaphragms, the refrigerant system will leak and may lose its refrigerant charge, which can lead to a vehicle stall. Therefore, the requirements for the quality and reliability of the membrane are very high, which affects the unit price, quality and process control.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin ein Steuerstromregelventil zur Verfügung zu stellen, welches einfach und robust konstruiert ist und darüber hinaus bei einer inneren Leckage keine Kältemittel in die Umgebung abgibt.The object of the invention is to provide a control flow control valve which has a simple and robust design and, moreover, does not release any refrigerant into the environment in the event of an internal leak.

Die Aufgabe wird durch ein Steuerstromregelventil mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.The task is solved by a control flow control valve with the features according to patent claim 1 . Further developments are specified in the dependent patent claims.

Die Aufgabe der Erfindung wird insbesondere durch ein Steuerstromregelventil für Spiralverdichter gelöst, welches von seinem Grundaufbau her mindestens aus einem Gehäuse besteht, in welchem ein Verschlusselement angeordnet ist. Weiterhin sind Fluidanschlüsse für den Steuerstrom, für den Gegendruck, für den Hochdruck und für den Saugdruck mit den Anschlüssen zugeordneten Wirkflächen am Verschlusselement ausgebildet.The object of the invention is achieved in particular by a control flow control valve for scroll compressors which, in terms of its basic structure, consists of at least one housing in which a closure element is arranged. Furthermore, fluid connections for the control flow, for the back pressure, for the high pressure and for the suction pressure are formed on the closure element with active surfaces assigned to the connections.

Das Verschlusselement weist zur Abdichtung von Niederdruckraum zu Gegendruckraum genau eine ringförmige Membrandichtung auf. Diese Membrandichtung hält und führt das Verschlusselement, wobei auf einer Seite der Membrandichtung mit dem gehalterten Verschlusselement der Niederdruckraum und auf der anderen Seite der Membrandichtung der Gegendruckraum angeordnet ist. Der Niederdruckraum und der Gegendruckraum sind bevorzugt kreiszylinderförmig ausgebildet und weisen einen Niederdruckraumdurchmesser, auch als Wirkdurchmesser Niederdruckraum bezeichnet, und einen Gegendruckraumdurchmesser, auch als Wirkdurchmesser Gegendruckraum bezeichnet, auf.To seal off the low-pressure space from the back-pressure space, the closure element has exactly one ring-shaped diaphragm seal. This diaphragm seal holds and guides the closure element, with the low-pressure chamber being arranged on one side of the diaphragm seal with the retaining closure element and the counter-pressure chamber being arranged on the other side of the diaphragm seal. The low-pressure space and the back-pressure space are preferably circular-cylindrical and have a low-pressure space diameter, also known as the effective diameter of the low-pressure space, and a back-pressure space diameter, also known as the effective diameter of the back-pressure space.

Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Steuerstromregelventils besteht darin, dass der Aufbau gattungsgemäßer Steuerstromregelventile mit mehreren Membranen ersetzt ist durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Steuerstromregelventils mit einem Verschlusselement mit einer einzigen ringförmigen Membran, welche das Verschlusselement hält. Dabei ist erfindungsgemäß die Form beziehungsweise die Kontur der Membrandichtung derart gewählt, dass die Membrandichtung eine vorgebbare konturabhängige Federsteifigkeit aufweist, welche die Kraft-Weg-Funktion des Verschlusselements festlegt. Die Form und Kontur der Membran führt zu Wandabstützungseffekten der Membran, welche je nach Kontur unterschiedlich quantifizierbar sind. Damit können über die Wahl der Form und Kontur der Membrandichtung Übertragungsfunktionen für das Ventil vorab eingestellt und dimensioniert werden. Neben den geometrischen Gegebenheiten beeinflusst die Form und Kontur der Membran somit die Wirkdurchmesser von Gegendruckraum zu Niederdruckraum und es ergibt sich ein von der Membrankontur abhängiger effektiver Wirkdurchmesser.The special feature of the control flow control valve according to the invention is that the construction of generic control flow control valves with several membranes is replaced by the construction according to the invention of the control flow control valve with a closure element with a single annular membrane which holds the closure element. According to the invention, the shape or the contour of the membrane seal is selected in such a way that the membrane seal has a definable, contour-dependent spring stiffness, which defines the force-displacement function of the closure element. The shape and contour of the membrane leads to wall support effects of the membrane, which can be quantified differently depending on the contour. This means that transfer functions for the valve can be set and dimensioned in advance by selecting the shape and contour of the diaphragm seal. In addition to the geometric conditions, the shape and contour of the membrane thus influences the effective diameter from the counter-pressure space to the low-pressure space, resulting in an effective effective diameter that is dependent on the membrane contour.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Membrandichtung als ein Ring ausgebildet, der das Verschlusselement umgibt. Dieser Ring hat eine kreiskegelstumpfförmige Außenkontur und eine ebenso kreiskegelstumpfförmige Innenkontur, wobei die Innenkontur vom kreiskegelstumpfförmigen Verschlusselement ausgefüllt ist. Im Längsschnitt ist eine konische Form der Membrandichtung sichtbar und die Membrandichtung weist eine gleichbleibende Wandstärke über die Höhe auf.According to a particularly advantageous embodiment of the invention, the membrane seal is designed as a ring that surrounds the closure element. This ring has an outer contour in the shape of a truncated circle and an inner contour that is also in the shape of a truncated circle, the inner contour being filled by the closure element in the shape of a truncated circle. A conical shape of the membrane seal is visible in the longitudinal section and the membrane seal has a constant wall thickness over the height.

Nach einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist die Membrandichtung als ein Kreisring ausgebildet, der eine kreiskegelstumpfförmige Außenkontur und Innenkontur aufweist. Die Innenkontur ist wiederum vom kreiskegelstumpfförmigen Verschlusselement ausgefüllt. Die im Längsschnitt dargestellte konische Form der Membrandichtung weist eine abnehmende Wandstärke über die Höhe auf.According to an alternative embodiment of the invention, the membrane seal is designed as a circular ring which has an outer contour and inner contour in the shape of a truncated cone. The inner contour is in turn frusto-conical Closing element filled. The conical shape of the membrane seal shown in the longitudinal section shows a decreasing wall thickness over the height.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Membrandichtung eine ringartige, kreiszylinderförmige Außenkontur und eine kreiskegelstumpfförmige Innenkontur auf, wobei die Innenkontur vom kreiskegelstumpfförmigen Verschlusselement ausgefüllt ist. Die Membrandichtung weist dabei eine zunehmende Wandstärke über die Höhe auf.According to a further advantageous embodiment of the invention, the diaphragm seal has a ring-like, circular-cylindrical outer contour and a truncated-cone-shaped inner contour, the inner contour being filled by the truncated-cone-shaped closure element. The membrane seal has an increasing wall thickness over the height.

Eine weitere alternative vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht in einer Membrandichtung für das Steuerstromregelventil, welches eine S-förmige Außenkontur und eine ebensolche S-förmige Innenkontur aufweist, wobei die Innenkontur vom Verschlusselement ausgefüllt ist. Die Membrandichtung weist eine gleichbleibende Wandstärke über die Höhe auf.A further alternative advantageous embodiment of the invention consists in a membrane seal for the control flow control valve, which has an S-shaped outer contour and an S-shaped inner contour of the same type, with the inner contour being filled by the closure element. The membrane seal has a constant wall thickness across the height.

Bevorzugt ist die Membrandichtung des Steuerstromregelventils aus einem flexiblen Polymer, wie beispielsweise Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), ausgebildet.The diaphragm seal of the control flow control valve is preferably formed from a flexible polymer such as ethylene propylene diene rubber (EPDM).

Bevorzug ist die Membrandichtung des Steuerstromregelventils mit der Umrandung, beziehungsweise mit den angrenzenden Elementen, verklebt oder galvanisiert, so dass eine stoff- und druckdichte Verbindung gegeben ist.The membrane seal of the control flow control valve is preferably glued or galvanized to the border, or to the adjacent elements, so that there is a material-tight and pressure-tight connection.

Das Steuerstromregelventil und insbesondere die Membrandichtung sind für den Einsatz mit R744 als Fluid ausgebildet, da ein bevorzugtes Einsatzgebiet des Steuerstromregelventils in der Anwendung für Kältemittelkreisläufe mit Kohlendioxid als Kältemittel liegt.The control flow control valve and in particular the diaphragm seal are designed for use with R744 as the fluid, since a preferred area of application for the control flow control valve is in refrigerant circuits with carbon dioxide as the refrigerant.

Die Membrandichtung des Steuerstromregelventils ist für Differenzdrücke von 20 bar bis 40 bar ausgebildet und dimensioniert.The membrane seal of the control flow control valve is designed and dimensioned for differential pressures of 20 bar to 40 bar.

Bevorzugt ist die Membrandichtung des Steuerstromregelventils für einen Differenzdruck von 28 bar ausgebildet.The membrane seal of the control flow control valve is preferably designed for a differential pressure of 28 bar.

Die Konzeption der Erfindung besteht darin, dass der bekannte Zwei-Membran-Aufbau durch ein Ein-Membran-Design nach der Erfindung abgelöst ist, um die verschiedenen Anforderungen an Funktionalität, Robustheit, Herstellbarkeit und Kosten besser zu erfüllen.The concept of the invention is that the known two-membrane structure is replaced by a one-membrane design according to the invention in order to better meet the various requirements for functionality, robustness, manufacturability and costs.

Das optimierte Membrankonzept besteht aus einer speziell geformten Membran, die die unterschiedlichen Druckbereiche bietet. Durch die Form der Membran ist die resultierende Kraft die gleiche wie bei der Verwendung von zwei Membranen mit Umgebungsdruckanschluss.The optimized membrane concept consists of a specially shaped membrane that offers the different pressure ranges. Due to the shape of the membrane, the resulting force is the same as when using two membranes with an ambient pressure connection.

Als Ergebnis der erfindungsgemäßen Konstruktion der Membrandichtung wird die atmosphärische Zugangsbohrung für das Steuerstromventil überflüssig und im Falle einer Membranstörung kann es nun keine Leckage nach außen geben im Unterschied zum Stand der Technik.As a result of the construction of the diaphragm seal according to the invention, the atmospheric access hole for the control flow valve becomes superfluous and in the event of a diaphragm failure there can now be no leakage to the outside, in contrast to the prior art.

Die Belastung der Membran ist aufgrund der geringeren Druckdifferenzen, die auf sie wirken, geringer. Die Membran besteht aus einem flexiblen Polymer, das mit der starren Umgebung verklebt beziehungsweise galvanisiert ist. Auf diese Weise kann jede beliebige Form erzeugt werden, um die Anforderungen an die Oberfläche und das Kraft-Weg-Verhältnis zu erfüllen.The stress on the membrane is less due to the lower pressure differentials acting on it. The membrane consists of a flexible polymer that is glued or electroplated to the rigid environment. Any shape can be created in this way to meet surface area and force-to-displacement requirements.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:

• 1: Prinzipschaltbild eines Steuerstromregelventils mit radialer Umgebungsdruckbeaufschlagung nach dem Stand der Technik,
• 2: Detail Verschlusselement mit konischer Membrandichtung gleichbleibender Wandstärke,
• 3: Detail Verschlusselement mit konischer Membrandichtung abnehmender Wandstärke,
• 4: Detail Verschlusselement mit außen kreiszylindrischer und innen konischer Membrandichtung zunehmender Wandstärke und
• 5: Detail Verschlusselement mit außen konvexer und innen konkaver Membrandichtung gleichbleibender Wandstärke.

Further details, features and advantages of embodiments of the invention result from the following description of exemplary embodiments with reference to the associated drawings. Show it:

• 1 : Schematic diagram of a control flow control valve with radial ambient pressure application according to the prior art,
• 2 : Detail of closure element with conical membrane seal of constant wall thickness,
• 3 : Detail of closure element with conical membrane seal of decreasing wall thickness,
• 4 : Detail of closure element with membrane seal that is circular-cylindrical on the outside and conical on the inside, increasing wall thickness and
• 5 : Detail of the closure element with a membrane seal that is convex on the outside and concave on the inside and has the same wall thickness.

In 1 ist ein Prinzipschaltbild eines gattungsgemäßen Steuerstromregelventils 1 mit radialer Umgebungsdruckbeaufschlagung dargestellt. Das Steuerstromregelventil 1 besteht im Wesentlichen aus einem Gehäuse 8, in welchem ein Verschlusselement 9 translatorisch gemäß Darstellung von oben nach unten bewegbar angeordnet ist.In 1 is a schematic diagram of a generic control flow control valve 1 with radial ambient pressure is shown. The control flow control valve 1 consists essentially of a housing 8 in which a closure element 9 is arranged so that it can move translationally from top to bottom, as shown.

Das Steuerstromregelventil 1 nach dem Stand der Technik weist verschiedene Anschlüsse 2, 3, 4 und 5 auf. Durch das Steuerstromregelventil 1 verläuft ein Strömungspfad, welcher durch das Verschlusselement 9 regelbar ist. In der dargestellten Ausführung wird ein Steuerstrom vom Fluidanschluss Hochdruck 3 zum Fluidanschluss Gegendruck 2 durch das Verschlusselement 9 geregelt. Weiterhin sind ein Fluidanschluss Saugdruck 4 sowie ein Fluidanschluss Umgebungsdruck 5 am Steuerstromregelventil 1 ausgeführt, wobei die letztgenannten Fluidanschlüsse keinen Strömungspfad ausbilden. Über diese Fluidanschlüsse werden nur die Druckniveaus des Saugdrucks Ps und des Umgebungsdrucks ATM auf die Wirkflächen des Verschlusselementes 9 übertragen. Gleichwohl besteht bei einer Leckage der Membrandichtungen 7 die Gefahr, dass Fluid über den Fluidanschluss Umgebungsdruck 5 in die Umgebung gelangt, was unerwünscht ist und vermieden werden sollte.The control flow control valve 1 according to the prior art has different connections 2, 3, 4 and 5. A flow path, which can be controlled by the closure element 9 , runs through the control flow control valve 1 . In the embodiment shown, a control flow from the high-pressure fluid connection 3 to the counter-pressure fluid connection 2 is regulated by the closure element 9 . Furthermore, a fluid connection suction pressure 4 and a fluid connection ambient pressure 5 are performed on the control flow control valve 1, the last said fluid connections do not form a flow path. Only the pressure levels of the suction pressure Ps and the ambient pressure ATM are transmitted to the effective surfaces of the closure element 9 via these fluid connections. At the same time, if there is a leak in the membrane seals 7, there is a risk that fluid will leak into the environment via the ambient pressure fluid connection 5, which is undesirable and should be avoided.

Auf das Verschlusselement 9 wirkt entgegengesetzt zur Verschlussstellung eine Feder 6 mit einer Federkraft F0 auf das Verschlusselement 9. Der Primärventilschaft 111 des Verschlusselementes 9 wirkt mit dem Dichtsitz am oberen Ende mit dem Fluidanschluss Hochdruck 3 zusammen. Der Primärventilschaft 111 wird über einen Dichtungsring 10 abgedichtet. Die geometrische Ausgestaltung des Verschlusselementes 9 ist derart ausgeführt, dass der Primärventilschaftdurchmesser d21, der Dichtsitzdurchmesser d20, der Wirkdurchmesser Saugdruck Ps zu Atmosphärendruck ATM d22 und der Wirkdurchmesser Gegendruck Pb zu Atmosphärendruck ATM d23 derart bemessen sind, dass eine resultierende Kraft in Abhängigkeit der anliegenden Drücke auf das Verschlusselement 9 wirkt und damit den Steuerstrom vom Fluidanschluss Hochdruck 3 zum Fluidanschluss Gegendruck 2 steuert. Das Steuerstromregelventil 1 besitzt nach der dargestellten Ausgestaltung weiterhin eine gepunktet dargestellte Fluidverbindung vom Fluidanschluss Gegendruck 2 zum Raum mit der Wirkfläche für den Wirkdurchmesser Gegendruck Pb zu Atmosphärendruck ATM d23, um den Gegendruck Pb entsprechend in das Kräftegleichgewicht am Verschlusselement 9 einzubeziehen.A spring 6 with a spring force F0 acts on the closure element 9 in the opposite direction to the closed position. The primary valve stem 111 is sealed with a sealing ring 10 . The geometric design of the closure element 9 is designed in such a way that the primary valve stem diameter d21, the sealing seat diameter d20, the effective diameter of suction pressure Ps to atmospheric pressure ATM d22 and the effective diameter of back pressure Pb to atmospheric pressure ATM d23 are dimensioned in such a way that a resultant force depending on the pressures applied the closure element 9 acts and thus controls the control flow from the high-pressure fluid connection 3 to the counter-pressure fluid connection 2 . According to the embodiment shown, the control flow control valve 1 also has a fluid connection, shown in dotted lines, from the fluid connection back pressure 2 to the space with the effective surface for the effective diameter back pressure Pb to atmospheric pressure ATM d23, in order to include the back pressure Pb accordingly in the balance of forces on the closure element 9.

In 2 ist ein Detail des Steuerstromregelventils 1 dargestellt, welches wie auch die nachfolgenden 3, 4 und 5 jeweils das Verschlusselement 9 in seiner konkreten Ausgestaltung nach den Ausführungsbeispielen der Erfindung zeigt und die mit dem Verschlusselement 9 jeweils korrespondierend ausgebildeten Membrandichtungen 7.In 2 is a detail of the control flow control valve 1 shown, which as well as the following 3 , 4 and 5 each shows the closure element 9 in its specific configuration according to the exemplary embodiments of the invention and the membrane seals 7 designed to correspond to the closure element 9.

Somit zeigt 2 schematisch den Niederdruckraum 12 und angedeutet das Federelement 6, welches das Verschlusselement 9 in der unteren Stellung hält. Der Niederdruckraum 12 ist geometrisch charakterisiert durch seinen kreiszylindrischen Querschnitt und den Wirkdurchmesser Niederdruckraum d24. Das Verschlusselement 9 ist nach der hier gezeigten Ausgestaltungsform kreiskegelstumpfförmig und damit im Querschnitt konisch dargestellt. Der Mantel des Kreiskegelstumpfes ist korrespondierend umgeben von der Membrandichtung 7, welche gemäß der Ausgestaltung nach 2 mit gleichbleibender Wandstärke über die Höhe des Verschlusselementes 9 als sich konisch verjüngender Kreiskegelring gestaltet ist. Die Membrandichtung 7 ist mit der Wandung des umgebenden Gehäuses fluiddicht verbunden, vorzugsweise verklebt, galvanisiert oder anderweitig fluiddicht stoff- und/oder formschlüssig verbunden.Thus shows 2 schematically the low-pressure chamber 12 and indicated the spring element 6, which holds the closure element 9 in the lower position. The low-pressure space 12 is characterized geometrically by its circular-cylindrical cross-section and the effective diameter of the low-pressure space d24. According to the embodiment shown here, the closure element 9 is in the form of a truncated cone and is therefore shown as being conical in cross section. The shell of the circular truncated cone is correspondingly surrounded by the membrane seal 7, which according to the embodiment 2 is designed with a constant wall thickness over the height of the closure element 9 as a conically tapered circular cone ring. The membrane seal 7 is connected to the wall of the surrounding housing in a fluid-tight manner, preferably glued, galvanized or otherwise connected in a fluid-tight material and/or positive manner.

Auf der dem Niederdruckraum 12 gegenüberliegenden Seite des Steuerstromregelventils 1 ist der Gegendruckraum 11 ausgebildet, welcher durch den Wirkdurchmesser Gegendruckraum d25 geometrisch in seinen Größen- und damit Flächenverhältnissen charakterisiert ist.On the side of the control flow control valve 1 opposite the low-pressure chamber 12, the back-pressure chamber 11 is formed, which is characterized geometrically in its size and thus area ratios by the effective diameter of the back-pressure chamber d25.

Die Membrandichtung 7 umschließt das Verschlusselement 9 ringartig entlang der Flanke des Verschlusselementes 9 über die gesamte Höhe.The membrane seal 7 encloses the closure element 9 in the manner of a ring along the flank of the closure element 9 over the entire height.

In 3 ist das Detail Verschlusselement 9 mit konischer Membrandichtung 7 mit der Besonderheit der abnehmenden Wandstärke von der Seite des Niederdruckraums 12 zur Seite des Gegendruckraums 11 des Verschlusselements 9 ausgebildet. Wiederum sind das Federelement 6 und die die geometrischen Verhältnisse und damit wirksamen Oberflächen zur Druckregelung des Wirkdurchmessers Niederdruckraum d24 sowie des Wirkdurchmessers Gegendruckraum d25, jeweils als Wirkdurchmesser, schematisch dargestellt.In 3 the detail of the closure element 9 is formed with a conical membrane seal 7 with the special feature of the decreasing wall thickness from the side of the low-pressure space 12 to the side of the counter-pressure space 11 of the closure element 9 . Again, the spring element 6 and the geometric conditions and thus effective surfaces for pressure regulation of the effective diameter of the low-pressure chamber d24 and the effective diameter of the counter-pressure chamber d25 are shown schematically, each as an effective diameter.

In 4 ist abweichend zu den Ausführungsbeispielen nach 2 und 3 eine Ausgestaltung der Erfindung gezeigt, welche auch ein konisches und kreiskegelstumpfförmiges Verschlusselement 9 aufweist, aber eine Membrandichtung 7 ausgebildet ist, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Wandstärke der Membrandichtung 7 vom Niederdruckraum 12 zum Gegendruckraum 11 hin zunimmt. Darüber hinaus ist die Form und Kontur der Membran und die Federvorspannung der Wirkdurchmesser Niederdruckraum d24 größer als der Wirkdurchmesser Gegendruckraum d25 ausgebildet.In 4 differs from the exemplary embodiments 2 and 3 An embodiment of the invention is shown, which also has a conical closure element 9 in the shape of a truncated circular cone, but a membrane seal 7 is formed, which is characterized in that the wall thickness of the membrane seal 7 increases from the low-pressure chamber 12 to the counter-pressure chamber 11. In addition, the shape and contour of the diaphragm and the spring preload of the effective diameter of the low-pressure chamber d24 are greater than the effective diameter of the counter-pressure chamber d25.

In 5 ist schließlich eine Ausgestaltung gezeigt, welche ein Verschlusselement 9 mit Federelement 6 zeigt, das aus zwei mit ihren Basisseiten zueinander angeordneten, kreiskegelstumpfförmigen Grundelementen aufgebaut ist. Dadurch ergibt sich eine Doppelkonusform, wobei der Konus jeweils von den Enden her zur Mitte hin zunimmt. Die Membrandichtung 7 umgibt das doppelkonusförmige Verschlusselement 9 und weist dabei im unteren Konus eine zunehmende Wandstärke und im oberen Konus des Ringes eine gleichbleibende Wandstärke auf. Durch diese geometrischen Variationen und die damit zusätzlich verbundenen Wandabstützungseffekte verändern sich die Wirkdurchmesser d25, d24 von Gegendruckraum 11 zu Niederdruckraum 12 zueinander.In 5 Finally, an embodiment is shown which shows a closure element 9 with a spring element 6, which is constructed from two basic elements in the shape of a truncated circular cone which are arranged with their base sides facing one another. This results in a double cone shape, with the cone increasing from the ends towards the middle. The membrane seal 7 surrounds the double-cone-shaped closure element 9 and has an increasing wall thickness in the lower cone and a constant wall thickness in the upper cone of the ring. Due to these geometric variations and the additional wall support effects associated therewith, the effective diameters d25, d24 change from counter-pressure chamber 11 to low-pressure chamber 12 in relation to one another.

Eine nicht gezeigte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass das Verschlusselement 9 und die Membrandichtung 7 eine s-förmige Außenkontur und Innenkontur aufweisen, wodurch verschiedene Wandabstützungseffekte der Kontur der Membran und der korrespondierenden Kontur der Wand des Gehäuses und des Verschlusselementes ergeben. Dies führt schließlich zu einem effektiven Wirkdurchmesserverhältnis.A further development of the invention that is not shown is that the closure element 9 and the membrane seal 7 have an s-shaped outer contour and inner contour, resulting in different wall support effects of the contour of the membrane and the corresponding contour of the wall of the housing and the closure element. This eventually leads to an effective effective diameter ratio.

BezugszeichenlisteReference List

11

Steuerstromregelventilcontrol flow control valve

22

Fluidanschluss GegendruckFluid connection back pressure

33

Fluidanschluss HochdruckFluid connection high pressure

44

Fluidanschluss SaugdruckFluid connection suction pressure

55

Fluidanschluss UmgebungsdruckFluid connection Ambient pressure

66

Federelement, Federspring element, spring

77

Membrandichtungdiaphragm seal

88th

GehäuseHousing

99

Verschlusselementclosure element

1010

Dichtungsringsealing ring

1111

Gegendruckraumback pressure space

1212

Niederdruckraumlow pressure room

111111

Primärventilschaftprimary valve stem

d20d20

Dichtsitzdurchmesserseat diameter

d21d21

PrimärventilschaftdurchmesserPrimary valve stem diameter

d22d22

Wirkdurchmesser Ps zu ATMPitch diameter Ps to ATM

d23d23

Wirkdurchmesser Pb zu ATMPitch diameter Pb to ATM

d24d24

Wirkdurchmesser NiederdruckraumEffective diameter of the low-pressure chamber

d25d25

Wirkdurchmesser GegendruckraumEffective diameter of back pressure chamber

F0F0

Federkraftspring force

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

• US 20100158710 A1 [0009]US20100158710A1 [0009]
• DE 102013021250 A1 [0010]DE 102013021250 A1 [0010]
• US 20100209819 A1 [0011]US20100209819A1[0011]
• DE 102016105302 B4 [0014]DE 102016105302 B4 [0014]

Claims (10)

Steuerstromregelventil (1) für Spiralverdichter, mindestens bestehend aus einem Gehäuse (8) und einem Verschlusselement (9) sowie Fluidanschlüssen (2, 3, 4) für den Steuerstrom, für den Gegendruck (Pb), für den Hochdruck (Pd) und für den Saugdruck (Ps) mit den Anschlüssen zugeordneten Wirkflächen am Verschlusselement (9), dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (9) zur Abdichtung von Niederdruckraum (12) mit einem Wirkdurchmesser Niederdruckraum (d24) zu Gegendruckraum (11) mit einem Wirkdurchmesser Gegendruckraum (d25) genau eine Membrandichtung (7) aufweist, die am Verschlusselement (9) angeordnet ist, wobei auf einer Seite der Membrandichtung (7) der Niederdruckraum (12) und auf der anderen Seite der Membrandichtung (7) der Gegendruckraum (11) angeordnet ist, wobei die Form der Membrandichtung (7) derart gewählt ist, dass diese eine vorgebbare, konturabhängige Federsteifigkeit aufweist, welche die Kraft-Weg-Funktion des Verschlusselements (9) festlegt.Control flow control valve (1) for spiral compressors, consisting at least of a housing (8) and a closing element (9) as well as fluid connections (2, 3, 4) for the control flow, for the back pressure (Pb), for the high pressure (Pd) and for the Suction pressure (Ps) with the effective surfaces on the closure element (9) assigned to the connections, characterized in that the closure element (9) is used to seal off the low-pressure space (12) with an effective diameter of the low-pressure space (d24) and the back-pressure space (11) with an effective diameter of the back-pressure space (d25). has exactly one diaphragm seal (7) which is arranged on the closure element (9), the low-pressure chamber (12) being arranged on one side of the diaphragm seal (7) and the counter-pressure chamber (11) being arranged on the other side of the diaphragm seal (7), wherein the shape of the membrane seal (7) is selected in such a way that it has a definable, contour-dependent spring stiffness which defines the force-displacement function of the closure element (9). Steuerstromregelventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrandichtung (7) eine ringartige, kreiskegelstumpfförmige Außenkontur und Innenkontur aufweist, wobei die Innenkontur vom kreiskegelstumpfförmigen Verschlusselement (9) ausgefüllt ist und wobei die im Querschnitt konische Form der Membrandichtung (7) eine gleichbleibende Wandstärke über die Höhe aufweist.Control flow control valve (1) after claim 1 , characterized in that the membrane seal (7) has a ring-like outer contour and inner contour in the shape of a truncated circular cone, the inner contour being filled by the closure element (9) in the shape of a truncated circular cone and the conical shape of the membrane seal (7) in cross section having a constant wall thickness over the height. Steuerstromregelventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrandichtung (7) eine ringartige, kreiskegelstumpfförmige Außenkontur und Innenkontur aufweist, wobei die Innenkontur vom kreiskegelstumpfförmigen Verschlusselement (9) ausgefüllt ist und wobei die im Querschnitt konische Form der Membrandichtung (7) eine abnehmende Wandstärke über die Höhe aufweist.Control flow control valve (1) after claim 1 , characterized in that the membrane seal (7) has a ring-like outer contour and inner contour in the shape of a truncated circular cone, the inner contour being filled by the closure element (9) in the shape of a truncated circular cone and the conical shape of the membrane seal (7) in cross section having a decreasing wall thickness over the height. Steuerstromregelventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrandichtung (7) eine ringartige, kreiszylinderförmige Außenkontur und eine kreiskegelstumpfförmige Innenkontur aufweist, wobei die Innenkontur vom kreiskegelstumpfförmigen Verschlusselement (9) ausgefüllt ist und wobei die Membrandichtung (7) eine zunehmende Wandstärke über die Höhe aufweist.Control flow control valve (1) after claim 1 , characterized in that the diaphragm seal (7) has a ring-like, circular-cylindrical outer contour and a truncated circular inner contour, the inner contour being filled by the truncated circular closure element (9) and the diaphragm seal (7) having an increasing wall thickness over the height. Steuerstromregelventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrandichtung (7) eine S-förmige Außenkontur und Innenkontur aufweist, wobei die Innenkontur vom Verschlusselement (9) ausgefüllt ist und wobei die Membrandichtung (7) eine gleichbleibende Wandstärke über die Höhe aufweist.Control flow control valve (1) after claim 1 , characterized in that the diaphragm seal (7) has an S-shaped outer contour and inner contour, the inner contour being filled by the closure element (9) and the diaphragm seal (7) having a constant wall thickness over the height. Steuerstromregelventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrandichtung (7) aus einem flexiblen Polymer ausgebildet ist.Control flow control valve (1) according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that the diaphragm seal (7) is formed from a flexible polymer. Steuerstromregelventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrandichtung (7) mit der starren Umrandung verklebt ist.Control flow control valve (1) according to one of Claims 1 until 6 , characterized in that the membrane seal (7) is glued to the rigid border. Steuerstromregelventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrandichtung (7) für den Einsatz mit R744 als Fluid ausgebildet ist.Control flow control valve (1) according to one of Claims 1 until 7 , characterized in that the diaphragm seal (7) is designed for use with R744 as the fluid. Steuerstromregelventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrandichtung (7) für Differenzdrücke von 20 bar bis 40 bar ausgebildet ist.Control flow control valve (1) according to one of Claims 1 until 8th , characterized in that the membrane seal (7) is designed for differential pressures of 20 bar to 40 bar. Steuerstromregelventil (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrandichtung (7) für einen Differenzdruck von 28 bar ausgebildet ist.Control flow control valve (1) after claim 9 , characterized in that the diaphragm seal (7) is designed for a differential pressure of 28 bar.

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